CN108038308A - 一种铝合金压铸减震塔的结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种铝合金压铸减震塔的结构设计方法，根据对原钢制减震塔结构分析和实验测试结果，提取出相关性能数据并建立拓扑优化空间；接着对拓扑优化空间进行设计区域和非设计区域的划分；对设计区域，通过拓扑优化确定加强筋的合理位置分布；根据对拓扑优化结果得到的加强筋位置分布，重新建立带加强筋分布的减震塔模型，通过尺寸优化进一步得到加强筋的最优厚度；最后对尺寸优化后的减震塔模型进行校核，确保所设计的结构满足使用性能需求。本发明缩短了设计周期，提高了设计效率，结构轻量化效果明显，综合性能得到显著提升。

Description

一种铝合金压铸减震塔的结构设计方法

技术领域

本发明属于卷板机弯卷成型的技术领域，尤其涉及一种铝合金压铸减震塔的结构设计方法。

背景技术

汽车工业的快速发展给人们的出行带来便利的同时也给环境带来污染，节能减排已成为 汽车工业发展的难题，而轻量化技术是解决这一问题的最佳方式。

传统的零件设计主要依赖于经验和已有的相关结构，需要结合实际生产反复试验，设计周期长，成本高。随着有限元技术的发展，零件设计已经形成一套完整的理论体系：拓扑优化，尺寸优化，形状优化，形貌优化。拓扑优化已成为零件概念设计的一种有效方式，在初步设计中确定结构的形式；形貌优化主要针对冲压件加强筋的设计；尺寸优化和形状优化则在零件详细设计阶段对局部尺寸和形状进行微调。优化方法可以结合零件具体形式选取或组合。有限元优化方案大大缩短了设计周期，在确保结构设计可靠性的同时提高了设计效率。

减震塔是汽车重要零部件之一，是连接减震器和前车身的关键零件，汽车行驶过程中由于地面不平造成的冲击载荷通过减震器的衰减传递到减震塔，进而分散到前车身。汽车减震塔对于增加汽车行驶的平稳性以及整车NVH性能有重要作用。目前减震塔主要采用多块钢板冲压件焊接工艺，制造工序复杂，生产成本高，安装和拆卸效率低，且焊接过程中焊点附近的温差容易造成局部应力集中，影响结构整体装配精度。以铝合金代替钢制件成为轻量化车身的趋势，而开发适用于压铸工艺的铝合金结构件主要依赖于经验，同时反复试验，设计效率低且轻量化效果不佳，非常需要一种高效的替代钢制减震塔铝合金压铸件的结构设计方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种铝合金压铸减震塔的结构设计方法，缩短铝合金压铸件的设计周期，提升轻量化效果。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种铝合金压铸减震塔的结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)从整车模型数值分析和实验测试结果中，提取出钢制减震塔一阶模

态，在不同极限工作状态下的受力边界条件，以及不同极限工作状态下对应的特征点处的最大位移量；

S2)根据钢制减震塔结构，设计一个包含原结构几何形状且不和前车身其它零部件产生装配干涉的拓扑优化空间，对拓扑优化空间进行设计区域和非设计区域的划分：表层一定厚度设置为非优化区域，作为减震塔基本结构，内侧其余部分为设计区域，作为加强筋分布位置的优化区域；

S3)以步骤S1)中提取的不同极限工作状态下对应的特征点处的最大位移量作为约束条件，步骤S2)中的设计区域单元密度为优化设计变量，整体质量最小化为优化设计目标，通过拓扑优化结果确定加强筋的位置；

S4)以步骤S1)中提取的不同极限工作状态下对应的特征点处的最大位移量作为约束条件，依据步骤S3)得到的加强筋的位置重新建模，以加强筋厚度为优化设计变量，整体质量最小化为优化设计目标，通过尺寸优化结果确定加强筋的宽度；

S5)对拓扑优化和尺寸优化得到的结构进行校核，确保所设计的铝合金压铸减震塔适用于铝合金压铸工艺，且结构满足步骤S1)中所提取的不同极限工作状态下对应的特征点处的最大位移量要求。

按上述方案，所述步骤S3)中包括如下内容：根据工艺要求对设计区域定义拔模或者挤压的制造约束，所述的拓扑优化数学模型可以表达为：

目标函数：W(ρ_i)

约束条件：1)0<ρ_min≤ρ_i≤1；

2)

其中，W为拓扑优化模型的目标函数，表示结构整体质量，ρ_i是优化模型的设计变量；ρ_i表示第i个单元的相对单元密度，ρ_min为其最小值；K表示全局刚度矩阵，为第n工况下第m加载点载荷条件，和分别表示拓扑优化空间和原钢制件在第n工况下第m加载点的位移。

按上述方案，所述步骤S4)中不同加强筋设计变量之间可以设置为关联或者不关联的设计变量，设计变量可以根据实际工艺定义为连续的或者不连续的，所述的尺寸优化数学模型可以表达为：

目标函数：C(T_j)

约束条件：1)

2)f₁≥F₁；

3)

其中，C为尺寸优化模型的目标函数，表示结构整体质量，T_j是尺寸优化模型的设计变量；T_j代表第j个尺寸变量，和分别代表其上下限值；f₁为结构一阶模态频率，F₁为其下限值，即原钢制件一阶模态频率；K表示全局刚度矩阵，为第n工况下第m加载点载荷条件，和分别表示拓扑优化空间和原钢制件在第n工况下第m加载点的位移。

本发明的有益效果是：一种铝合金压铸减震塔的结构设计方法，同时解决了薄壁件加强筋位置和尺寸确定的难题，使材料分布更合理，提高了材料利用率，且对设计人员经验要求降低，提高了设计效率，通过该方法得到的一种带加强筋的薄壁真空压铸减震塔结构质量与原结构相比减轻了将近一半，提高了汽车的燃油效率，轻量化效果明显。

附图说明

图1为本发明一个实施例的减震塔安装后的示意图；

图2为本发明一个实施例的根据钢制减震塔外形结构设计的拓扑优化空间的示意图；

图3为本发明一个实施例的带加强筋的薄壁压铸减震塔的结构示意图。

其中：1.减震塔，2.前车身，3.凸缘，4.加强筋，5.壳体，6.左加载点，7.中加载点，8.右加载点。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

一种铝合金压铸减震塔的结构设计方法，它包括如下步骤：

(1)根据图1中的减震塔1安装模型，对约束和载荷进行简化，对原钢制减震塔进行不同极限工况下的受力分析并结合实验测试结果，提取出原钢制减震塔一阶模态，在不同极限工作状态下的受力边界条件，以及不同极限工作状态下对应的特征点处的最大位移量。加载点位置见图1中左加载点6、中加载点7和右加载点8三点。

(2)根据图1中减震塔的结构形式以及与前车身2其它零件装配位置关系，设计了如图2的拓扑优化空间，模型整体厚度约10mm。拓扑优化空间不和前车身其它装配件干涉，原钢制减震塔结构包含于优化空间几何体内。将拓扑空间从厚度方向上进行设计区域和非设计区域的划分，上层(壳体部分)为非设计区间，作为零件基本结构，厚度约为3mm，下层(加强筋布置区域)为设计区间，以优化出加强筋的分布位置，厚度为约为7mm。

(3)以步骤(1)中提取不同极限工作状态下对应的特征点处的最大位移量作为约束条件，步骤(2)中的设计区域单元密度为优化设计变量，整体质量最小化为优化设计目标，对内层的设计区间进行基于SIMP法的拓扑优化设计，同时以顶部圆盘形安装面为基准施加垂直向下的拔模约束，如图2中黑色箭头。通过拓扑优化结果确定加强筋的位置，得到使结构质量最小的连续网状结构。减震塔不同工况下位移(刚度)需求以及零件整体一阶模态要求如表1所示，共有5个极限工况，每个工况下有3个加载点。拓补优化数学模型为：

目标函数：W(ρ_i)

约束条件：1)0<ρ_min≤ρ_i≤1；

2)

其中W为拓扑优化模型的目标函数，表示结构整体质量，ρ_i是优化模型的设计变量；ρ_i表示第i个单元的相对单元密度，ρ_min为其最小值；K表示全局刚度矩阵，Pⁿ为第n工况下载荷条件，表示第n工况下第m加载点的位移，为原钢制件第n工况下第m加载点的位移。

(4)将步骤(3)中得到的设计区间的优化结果理解为加强筋的分布位置，对结构重新建模，加强筋的分布位置如图3，以步骤(1)中提取不同极限工作状态下对应的特征点处的最大位移量作为约束条件，以加强筋厚度为优化设计变量，整体质量最小化为优化设计目标，通过尺寸优化得到质量最小时加强筋厚度合理取值。加强筋厚度变量按照位置分布设计为 T₁-T₈共8个设计变量，根据压铸工艺和模具加工制造需求，每个变量设置为非连续的，增量为0.1mm，表2中列出了各个设计变量的优化范围以及优化后的最优厚度取值。尺寸优化数学模型为：

目标函数：C(T_j)

约束条件：1)

2)f₁≥F₁；

3)

其中C为尺寸优化模型的目标函数，表示结构整体质量，T_j是尺寸优化模型的设计变量；T_j代表第j个尺寸变量，和分别代表其上下限值；f₁为结构一阶模态频率，F₁为其下限值，即原钢制件一阶模态频率；K表示全局刚度矩阵，Pⁿ为第n工况下载荷条件，表示第n 工况下第m加载点的位移，为原钢制件第n工况下第m加载点的位移。

(5)对拓扑优化和尺寸优化得到的结构进行校核，确保所设计的适用于铝合金压铸工艺的减震塔结构满足步骤(1)中所提取的所有性能需求，包括5个工况下3个加载点的共15 个位移(刚度)要求，以及整体一阶模态要求。

根据上述一种带加强筋的薄壁结构设计方法得到的真空压铸减震塔，厚度约为3mm。优化前后减震塔的质量分别为7.1Kg，3.9Kg，在结构静强度，静刚度满足原设计要求的同时，新设计的减震塔质量降低45％。通过拓补优化和尺寸优化，使材料分布更合理，提高了材料利用率，轻量化效果明显。所述的一种替代钢制减震塔的铝合金压铸件结构设计方法能有效解决薄壁件加强筋位置和尺寸确定的难题，降低了对设计人员经验要求，缩短了设计周期，提高了设计效率。

表1

表2

Claims (3)

1.一种铝合金压铸减震塔的结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)从整车模型数值分析和实验测试结果中，提取出钢制减震塔一阶模态，在不同极限工作状态下的受力边界条件，以及不同极限工作状态下对应的特征点处的最大位移量；

S2)根据钢制减震塔结构，设计一个包含原结构几何形状且不和前车身其它零部件产生装配干涉的拓扑优化空间，对拓扑优化空间进行设计区域和非设计区域的划分：表层一定厚度设置为非优化区域，作为减震塔基本结构，内侧其余部分为设计区域，作为加强筋分布位置的优化区域；

S3)以步骤S1)中提取的不同极限工作状态下对应的特征点处的最大位移量作为约束条件，步骤S2)中的设计区域单元密度为优化设计变量，整体质量最小化为优化设计目标，通过拓扑优化结果确定加强筋的位置；

S4)以步骤S1)中提取的不同极限工作状态下对应的特征点处的最大位移量作为约束条件，依据步骤S3)得到的加强筋的位置重新建模，以加强筋厚度为优化设计变量，整体质量最小化为优化设计目标，通过尺寸优化结果确定加强筋的宽度；

S5)对拓扑优化和尺寸优化得到的结构进行校核，确保所设计的铝合金压铸减震塔适用于铝合金压铸工艺，且结构满足步骤S1)中所提取的不同极限工作状态下对应的特征点处的最大位移量要求。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金压铸减震塔的结构设计方法，其特征在于，所述步骤S3)中包括如下内容：根据工艺要求对设计区域定义拔模或者挤压的制造约束，所述的拓扑优化数学模型可以表达为：

目标函数：W(ρ_i)

约束条件：1)0<ρ_min≤ρ_i≤1；

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其中，W为拓扑优化模型的目标函数，表示结构整体质量，ρ_i是优化模型的设计变量；ρ_i表示第i个单元的相对单元密度，ρ_min为其最小值；K表示全局刚度矩阵，为第n工况下第m加载点载荷条件，和分别表示拓扑优化空间和原钢制件在第n工况下第m加载点的位移。

3.根据权利要求1所述的一种铝合金压铸减震塔的结构设计方法，其特征在于，所述步骤S4)中不同加强筋设计变量之间可以设置为关联或者不关联的设计变量，设计变量可以根据实际工艺定义为连续的或者不连续的，所述的尺寸优化数学模型可以表达为：

目标函数：C(T_j)

约束条件：

2)f₁≥F₁；

<mrow> <mn>3</mn> <mo>)</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>d</mi> <mi>m</mi> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>&amp;le;</mo> <msubsup> <mi>D</mi> <mi>m</mi> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>,</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>P</mi> <mi>m</mi> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>Kd</mi> <mi>m</mi> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow>

其中，C为尺寸优化模型的目标函数，表示结构整体质量，T_j是尺寸优化模型的设计变量；T_j代表第j个尺寸变量，和分别代表其上下限值；f₁为结构一阶模态频率，F₁为其下限值，即原钢制件一阶模态频率；K表示全局刚度矩阵，为第n工况下第m加载点载荷条件，和分别表示拓扑优化空间和原钢制件在第n工况下第m加载点的位移。